Energiapuun tehokas käsittely ja kuivuminen

Transkriptio

1 Kalevi Pietikäinen Energiapuun tehokas käsittely ja kuivuminen Metsä työllistäjänä ja ympäristön hoitokohteena JYVÄSKYLÄN AMMATTIKORKEAKOULU JAMK.FI

2 Energiapuun tehokas käsittely ja kuivuminen

3 Jyväskylän ammattikorkeakoulun julkaisuja 191 Kalevi Pietikäinen Energiapuun tehokas käsittely ja kuivuminen metsä työllistäjänä ja ympäristön hoitokohteena

4 Jyväskylän ammattikorkeakoulun julkaisuja -sarja Toimittaja Teemu Makkonen 2014 Tekijät & Jyväskylän ammattikorkeakoulu Kalevi Pietikäinen Energiapuun tehokas käsittely ja kuivuminen Metsä työllistäjänä ja ympäristön hoitokohteena Kannen kuvat Kalevi Pietikäinen & Pentin Paja Oy Ulkoasu JAMK / Pekka Salminen Taitto ja paino Suomen Yliopistopaino Oy Juvenes Print 2014 ISBN (Painettu) ISBN (PDF) ISSN-L Jakelu Jyväskylän ammattikorkeakoulun kirjasto PL 207, Jyväskylä Rajakatu 35, Jyväskylä Puh Sähköposti: julkaisut@jamk.fi

5 Sisällys Tiivistelmä...7 Abstract...8 Esipuhe...9 Johdanto...11 OSA I Klapien käsittely 1 Käsitteet ja mittasuureiden esittely Klapien kuivumisen teorioita Polttopuiden lähtö- ja loppukosteuden määrittämisen ongelmat Uudet ja vanhat varastointi- ja pinoamistavat Klapien tuottaminen metsässä sykeharvesterilla Mistä tunnistaa hyvän klapin? OSA II Kuivumisnopeuskokeet ja keskeiset tulokset 1 Kiekkojen ja rullien sisä- ja ulkotilakuivatus Koivuklapien kuivatus sisätilassa ja käsittelytavat Koivuklapien ja latvan ulkokuivatus Koivuklapien sisä-, parveke- ja ulkokuivatus Mäntyklapien sisätila- ja ulkotilakuivatus Klapinippujen sisä- ja ulkokuivatus Suursäkitettyjen klapien halli- ja ulkokuivatus Rasiin kaadetun koivun kuivumiskokeet kesällä

6 OSA III Ympäristönhoito ja työllisyys 1 Laserkeilaamalla tarkkaa kolmiulotteista tietoa Nuoren metsän hoito- ja korjuutyön määrän arviointi ensiharvennuksessa Biohiilen tulevaisuusnäkymät Ympäristön hoito ja työllisyys Yhteenveto Lähteet Tutkimuksen esitelmät ja muut julkaisut

7 TIIVISTELMÄ Kalevi Pietikäinen Energiapuun tehokas käsittely ja kuivuminen Metsä työllistäjänä ja ympäristön hoitokohteena (Jyväskylän ammattikorkeakoulun julkaisuja 191) Tutkimuksessa keskityttiin eri tavoilla käsiteltyjen klapien kuivumiseen ja laatuun vaikuttaviin tekijöihin. Tavoitteena oli määrittää erot kuivatustavoissa ja parantaa polttopuun laatua sekä minimoida riittävän laadun saavuttamiseen kuluva aika. Klapien kuivumista seurattiin punnituksella. Kuivumista seurattiin eri ympäristöissä, kuten ulkona suojaamattomana, parvekkeella ja sisätiloissa. Myös klapien halli- ja ulkotilakuivumista suursäkeissä tutkittiin. Tarkoituksena oli käsittely- ja kuivatustapojen suhteellinen vertailu ja kuivatustapahtuman kvalitatiivinen kuvaaminen. Tuloksena saatiin kattava vertailu klapien käsittelylle ja kuivumiselle. Todettiin, että laadukkaiden klapien tuottamiseksi klapit tulee halkaista mielellään jo metsässä kaadon yhteydessä. Keski- ja kevättalvi ovat parhaat ajat tuottaa klapeja ja energiapuuta loppukevään ja toukokuun ollessa tehokkainta kuivumisaikaa. Metsänomistajien näkökulmasta on keskeistä nuorien metsien hoito ja hoitotöiden kiireellisyys. Valtakunnan tasolla keskeistä on energiapuuvarojen määrittäminen lentokonekeilauksella paikkatietoon sidottuna. Työllisyyspotentiaalit arvioidaan varsin suuriksi. Energiapuun tuotantoon yhdistyvät myös ympäristön hoito ja työllisyys. Hakusanat: polttopuu (halot, klapit, pilkkeet), metsävarat, nuoret metsät, taajamametsät, kaukokartoitus (laserkeilaus), ympäristö

8 Abstract Kalevi Pietikäinen Energiapuun tehokas käsittely ja kuivuminen Metsä työllistäjänä ja ympäristön hoitokohteena (Publications of JAMK University of Applied Sciences, 191) Different treating methods of chopped firewood and how they affect the speed of drying during different seasons are presented in this study. The aim was to define the differences between treating methods and improve the quality of chopped firewood and minimize the time required to reach adequate quality level for long-term storage and use. Drying in different seasons was monitored by measuring the weight of untreated and treated chopped firewood samples. Long-term monitoring was performed in various environments. The result was a comprehensive comparison made between treating methods and qualitative description of drying. It was found that to achive good quality firewood should be chopped as soon as possible to speed up drying. It was also found that mid- or late winter and early spring is the best time for chopping firewood, because drying is fastest in late spring and humidity lowest. The national forest resources were also examined. From owners point of view the timing for treating young forests during the right season is important because it improves the value of the forest. This means huge potential for energy wood resource and employment, as well as taking care of environment. Key words: chopped firewood, energy wood, drying, wood resource, young forest, laser-scanning, environment, remote sensing

9 ESIPUHE Jyväskylän ammattikorkeakoulun (JAMK) Metsävara kunnostamattomissa nuorissa metsissä -projekti on päättynyt keväällä Projektin tuloksena lentokonekeilausdatasta löydetään projektissa kehitetyn maanpintamallin ja algoritmien avulla taimikot ja nuoret kunnostamattomat metsät sekä voidaan määrittää niiden hoitotarpeet myös kuvioiden sisältä. Projektin innoittamana on syntynyt tarve tutkia Suomen energiapuuvaroja sekä klapien käsittelyä ja kuivumista. Kokorunkoina tuotettavan energiapuun tuotantoketju sisältää useita työvaiheita, ja kannattavuus on erityisen riippuvainen varastoidun puun loppukosteudesta. Kotitalouksissa käytettävien klapien arvonnousu on merkittävää, jos klapien käsittely- ja varastointitavalla laatu saadaan paremmaksi. Metsävara-projektin laserkeilauksen kaukokartoitusta käyttävillä algoritmeilla on tutkittu mm. Tervolan kunnan Piekäälä-nimisen metsätilan 29 ha nuoren metsän kunnostushakkuuta tilanteessa, jossa on rinnakkain juuri harvennettu ja harventamaton alue. Polttopuiden käsittelyä ja kuivatusta on tutkittu eri tavoin ja lähtökohdista. Tässä tutkimuksessa menetelmäksi on valittu prosessitekninen tarkastelutapa ja klapien punnitus. Prosessiteknisen aikavakion määrittäminen ja tarve verrata kuivumisaikoja on ollut lähtökohtana. Käsittelytavoiksi on valittu halkaisu, rouhinta, viilto ja laikutus. Osa klapeista on jätetty käsittelemättä katkaistujen klapien kuoren säilyessä ehjänä. Aikoinaan metsiin tehtiin halkomotteja, joissa kussakin oli noin yksi pinokuutio halkaistuja koivuhalkoja. Metrin mittaiset halot tehtiin metsässä puun kaadon yhteydessä ja ladottiin pinomuotoon kuivumaan. Motti halkoja toimi samalla metsässä olevana pienvarastona, josta ne seuraavina talvina haettiin kuivuneina suoraan polttoon. Sahatavaraa kuivataan hyvin pinottuna tai erillisissä kuivaamoissa. Kuivatus tapahtuu yleensä suhteellisen korkeassa lämpötilassa, tai kuivatusaika on vähintäänkin yksi vuosi. Näytteeksi on myös otettu yli 100-vuotias vanha hirsisiivu, joka ei sisällä haihtuvia aineita. Yli vuoden varastoidussa saha- ja polttopuussa solukko on kuollutta ja solujen sisäinen vesi on pääsääntöisesti haihtunut. Lyhytaikaisessa ulkotilakuivatuksessa polttopuun solut pysyvät elävinä. Pitempiaikainen tai sisätilassa 25 C:ssa tapahtunut kuivaminen tuhoaa puun elävän solukon ja puu kuivuu pysyvästi kuivemmaksi ja keveämmäksi kuin ulkona. Kuollut puun solukko ei ime juurikaan ulkotilassa itseensä vettä. jamk 9

10 Puun polton lähtökohtana on lämpöenergian saanti. Polton vaiheina ovat veden höyrystyminen, pyrolyysikaasujen palaminen ja hiiltojäännöksen palaminen. Pieni kosteus tosin voi edistää palamista mm. hiiltojäännöspalamisen yhteydessä. Puupolttoaineiden laatuohje VTT-M kertoo yksityiskohtaisesti ja energiantuottajien näkökulmasta halutusta laadusta. Klapit sisältävät kosteutta, haihtuvia tai palavia pyrolysoituvia aineita ja tervoja sekä tietenkin kuivaa puuainesta. Klapien kuiva-aineen ja kosteusprosentin määrittämistä suorittavat useat laboratoriot mm. Ahma ympäristö Oy:n laboratorio Oulussa (Teollisuus- ja voimalaitosanalytiikan palvelut). Kuivuminen on energian ja aineen siirtoa. Tuore ja kostea puu sisältää kuivumispotentiaalia, eli alussa puusta haihtuu suhteessa enemmän vettä kuin kuivumisprosessin loppuvaiheessa. Kuivuminen on tehokkainta, kun halkaistua tuoretta klapia kuivataan lämpimällä vähän kosteutta sisältävällä ilmavirtauksella. Kuivumisnopeuteen vaikuttavat myös klapin koko ja lämmönsiirtopinta-ala. Puusta leikatut kiekot (siivut) ja lastut kuivuvat todella nopeasti. Varastointitavalla on merkitystä energiapuun kuivumiseen. Kuivumista tapahtuu eri aikaskaaloissa, mikä johtuu mm. edellä mainituista seikoista: puusiivut tai kiekot tuntiluokassa, halkaistut klapit ja klapiniput vuorokausiluokassa sekä suursäkit viikko- tai kuukausiluokassa. Kesällä ulkokuivatuksena käsittelemättömän kuorellisen kokopuun ja klapien kuivumisajat tasapainokosteuteen ovat 3 5 kuukautta loppukosteuden jäädessä p-%:iin. Pilkottujen klapien tasapainokosteus ulkona kesällä on parhaimmillaan 15 p-%:n luokkaa, josta kosteuspitoisuus ulkokatoksen suojaan siirtämisen jälkeenkin nousee syksyn kosteudesta yli 20 p-%:iin. Kuiviksi saatuja klapeja ei saa jättää ulos sateeseen kastumaan. Loppukesällä läjiin jääneiden klapikasojen sisältä on vaikea saada haihdutettua vettä. Sadevesi edesauttaa klapien pintojen homehtumista ja sienikasvustoja. Pentin Paja Oy:n Naarva S23 -sykeharvesteri varustettuna halkaisukiiloilla tekee yhdellä kertaa monivaiheisen klapien käsittelyn jo metsässä. Marjatta ja Eino Kollinsäätiö on tukenut tätä tutkimusta. Kalevi Pietikäinen Lehtori, Tekniikan lisensiaatti Jyväskylän ammattikorkeakoulu Teknologiayksikkö 10 jamk

11 JOHDANTO Metsäsektori pyrkii nuorien metsien kunnostukseen ja laadukkaan tukkipuun tuottamiseen. Metsäsuunnittelussa eletään parhaillaan murroksen aikaa ja metsien hoidossa toteutetaan myös jatkuvan hakkuun periaatetta, jossa vain haluttu puusto poistetaan tekemättä avohakkuuta koskaan. Maastossa tapahtuva metsänmittaus on kallista, minkä vuoksi kaukokartoitusmenetelmien käyttö metsäsuunnittelussa onkin yleistynyt viime vuosina. Esimerkiksi yksityismetsien metsäsuunnittelussa käytetään kuviotason metsikkötietoa kaukokartoitusmenetelmien avulla. Metsien hoidon laiminlyömisestä seuraa Metsäkeskuksen arvion mukaan parinsadan miljoonan euron tulonmenetykset vuodessa jo pelkästään metsänomistajille. Suomessa on 3,3 miljoonaa hehtaaria metsää, joka tarvitsisi kiireellistä hoitoa tai hakkuuta, selviää Metsäntutkimuslaitoksen tekemästä valtakunnan metsien inventoinnista. Raivaussahaperkausta odottavia taimikoita ja harvennusta odottavia kasvatusmetsiä on 2,2 miljoonaa hehtaaria, ja loput 1,1 miljoonaa hehtaaria ovat uudistuskypsiä eli päätehakkuuta odottavia metsiä, joita ei ole uudistettu ajallaan tai joissa nykyisen puuston kasvatus ei muuten ole järkevää. 1,6 miljoonaa hehtaaria hoitamattomista metsistä on ollut hoitamattomana yli 30 vuotta, ja niiden hoitotarve on kiireellinen. (Toikkanen 2014, 9.) Energiapuuta tuotetaan nykyisin noin 8 milj. kiintokuutiometriä vuodessa. Korjuumäärä voitaisiin nostaa 16 milj. kiintokuutiometriin vuodessa. (Rantanen 2014.) Energiapuun käsittelytapojen tutkimisella ja vertailulla etsittiin ratkaisuja pienpuun kuivumiseen liittyviin laatu- ja kannattavuusongelmiin. Riittävän kuivan energiapuun siirtäminen metsästä lämpö- ja voimalaitoksiin tuo kannattavuutta. Kuorellisen energiapuun kuivumiseen liittyviä ongelmia pyrittiin ratkaisemaan eri näkökulmista. Tavoitteena oli aikaan sidottu kvantitatiivinen (määrällinen) ja kvalitatiivinen (laadullinen) klapien ja energiapuun kuivumistapahtuman kuvaaminen. Tässä julkaisussa esitellään mittaustuloksia ja vertaillaan eroja eri tavoilla käsiteltyjen klapien vuodenajasta riippuvasta kuivumisesta. Tuloksia voidaan soveltaa laadukkaan polttopuun tuottamisen edistämiseksi myös suurissa erissä. Kun polttopuut (klapit) on ensimmäisen kerran saatu riittävän kuivaksi, ne ovat sieniltä ja lahottajilta toistaiseksi suojassa. Puiden laatu on korkea, ja ne eivät kuljeta mukanaan pölyä ja hometta. Tämän hankkeen tuloksista hyötyvät polttopuuta jamk 11

12 käyttävät kotitaloudet ja energiapuuta käyttävät lämpö- ja voimalaitokset, energiapuukourien valmistajat, metsäkoneyrittäjät ja -urakoitsijat sekä metsänomistajat. Lisäksi testattiin energiapuuvarojen määrittämistä kaukokartoituksella eräässä nuoren metsän hoitokohteessa, jossa on tehty lentokonekeilaus harvennustyön ollessa käynnissä. Tällä tavoin on saatu vertailuun hoitamaton ja hoidettu alue ja niiden aines- ja energiapuusaannot ja työmäärät. Lopuksi esitetään potentiaaliarvioita metsänhoidosta työllistäjänä ja ympäristön hoitokohteena. Tutkimuksen jaksotus 1. vaihe Mielenkiinnosta klapien kuivumiseen on tehty suuri määrä punnitukseen perustuvia mittauksia sekä kuivumiskokeita. Käsittelytavoiksi on valittu klapien aisaus, viilto, rouhinta, pilkonta. Osa klapeista on jätetty käsittelemättä ehytkuorisiksi. Rasiin kaadettu lehdellinen koivu on ollut kiinnostava. Aikavakioiden määrityksen soveltuvuutta ja antia on pohdittu. Osa tuloksista on raportoitu keväällä Pentin Paja Oy on tehnyt Naarva S23 sykeharvesterin lisälaiteena olevalla halkaisukiilalla klapien aisauksen, halkaisun ja suursäkityksen. 2. vaihe kevät 2014 Keväällä on suoritettu koejaksoja sisätiloissa sekä käsitelty klapit loppukeväästä tapahtuviin kuivatuskokeisiin ulko-, parveke- ja sisätiloissa. Myös suursäkkien kuivatuskokeet on toteuttanut Pentin Paja Oy hallissa ja ulkotiloissa. Vertailutavaksi on valittu klapien punnitus ja punnitustuloksien sovitus suhteessa alkupainoon. Alustavat käyriin sovitukset on suoritettu. Eri tavoilla käsiteltyjen klapien sisätiloissa kuivatuksen tulokset on raportoitu. 3. vaihe kesä 2014 Kesällä on tutkittu kuivumista ja varastointia suursäkeissä. Talvella ja keväällä kaadetut ja käsitellyt puut on kuivattu ja varastoitu. On määritetty klapien kuivumisen aikavakioita ja kuivumisaikoja myös silloin, kun eri tavoin käsitellyt kuivat klapit kastuvat sateessa. 12 jamk

13 4. vaihe syksy 2014 Syksyllä 2014 on jatkettu klapien kuivumiskokeita ja tuloksien käsittelyä sekä raportointia. Raportti käsittely- ja kuivumiskokeiden tuloksista on päivitetty sekä koostettu 1. versio painettavasta kirjasta. Keskeisimmät klapien kuivumistulokset ja lentokonekeilaukseen perustuvat nuorien metsien kaukokartoitukseen perustuvat tulokset on esitelty Jyväskylän KoneAgria-messuilla ja messuesitelmä on julkaistu messujen ProArgia-sarjassa. Messuesitelmä sisälsi myös Pentin Pajan tuotteiden esittelyn ja S23-sykeharvesterin esittelyvideon. jamk 13

14

15 1 OSA Klapien käsittely jamk 15

16 1 Käsitteet ja mittasuureiden esittely Käsitteet Ainespuu Ainespuu on raakapuuta, jota käytetään muuhun kuin polttopuuksi. Ainespuuksi nimitetään mitä tahansa raakapuuta, jota on taloudellisesti kannattavaa jalostaa. Sen tarkat mitta- ja laatuvaatimukset sovitaan ostajan ja myyjän välillä. Ainespuuta ovat tukki, pikkutukki, sahakuitu, erikoispuu, kuitupuu, kotitarvepuu, muu raakapuu. Halko Halot ovat noin 1 m:n pituisia, polttokäyttöön tarkoitettuja halkaistuja tai pyöreitä karsittuja pölkkyjä. Klapi Klapit ovat halkoja lyhyempiä, 0,25 0,50 m:n pituisia polttopuita. Klapeista käytetään usein myös nimitystä pilke. Kokopuu Karsimaton runko tai siitä tehty puutavara. Puuhiili Puuhiili on orgaanista hiiltä, joka valmistetaan kuumentamalla puuta ilmattomassa tilassa (hiiltämällä eli pyrolyysin avulla). Puuhiili on haurasta huokoista materiaalia, jolla on puun alkuperäinen muoto ja jonka mikrorakenne säilyttää kasvisolurakenteensa. Pyrolyysissä eli puun hitaassa hiillossa syntyy kaasuja, kondensoituvia nesteitä ja kiinteää hiiltä. Puuhiilen valmistukseen käytetään mm. miiluja ja retortteja. Puuhiilen energiatiheys on suuri. 16 jamk

17 Ranka Karsittu runko ja pölkky, jotka eivät täytä ainespuun vaatimuksia. Termiä käytetään ensisijaisesti pienikokoisesta puusta. Rasi Rasikuivatuksella tarkoitetaan polttopuun korjuutapaa, jossa lehdelliset rungot jätetään kaadon jälkeen karsimatta, jolloin ne haihduttavat kosteutta elävän latvuksensa kautta. Mittasuureet Klapeja on pääsääntöisesti myyty tilavuuteen perustuvilla mittayksiköillä. Yksiköinä on käytetty kiintokuutiota, pinokuutiota ja heitto- eli irtokuutiota. Kuviossa 1 on esitetty kaaviona mittasuureiden keskinäisiä suhteita. Suhdeluvut on saatu Perinnemestarin klapikirjasta (Rinne 2013, 15). Uutena suuntauksena klapeja ja energiakokopuuta halutaan myydä energiasisällön mukaan, jolloin tarvitaan erän paino ja tieto energiasisällöstä. Muunnoksia kiintokuution, pinokuution ja irtokuution välillä voi laskea Metsäkeskuksen Halkoliiteri.com-verkkopalvelussa Mitta- ja laatuvaatimuksia kohdan muuntolaskurin avulla. (Halkoliiteri 2011.) Kuvio 1. Klapien kiintokuution, pinokuution ja heittokuution suhteelliset koot jamk 17

18 Kokopuuta mitataan eli punnitaan kuormausvaa alla tonneina (t) ja myyntihinta lasketaan kiintokuutiometreinä (k-m 3 ). Kertoimet riippuvat mm. puulajista, paikkakunnasta ja vuodenajasta sekä hakkuuajankohdasta (kuivumisasteesta). Eräässä mäntyvaltaisessa ensiharvennuskohteessa kokopuun kuutiointi suoritettiin kuviossa 2 esitetyillä kertoimilla. Kuvio 2. Energiapuun kiintokuution, tonnien ja irtokuution suhteelliset koot Piekäälän ensiharvennuskohteessa saatiin seuraavanlaisia lukuja ja kertoimia. Energiapuuta mitattiin 1232,60 tonnia (t) ja kuutioiksi määritettiin 1325,30 kiintokuutiota (k-m 3 ) ja 3313,25 irtokuutiota (i-m 3 ). Kertoimiksi saadaan 1,075 ja 2,688 sekä jakajiksi 0,93 ja 0,372. Kertoimet riippuvat mm. vuodenajasta, paikkakunnasta ja puulajista. Ainespuun saanto koko alueelta oli 903,93 kiintokuutiota, ja energiapuun saanto oli 3313,25 i-m 3, 1232,60 t eli 1325,30 kiintokuutiota. Hakattu puusto yhteensä oli kuviolla 903, ,30 = 2229,13 m 3 eli 76,5 m 3 /ha. Uusi suuntaus on myydä ja ostaa energiapuuta energiasisällön perusteella, jolloin myyntierän kokonaispaino ja energiasisältö (kwh/kg) tulee tietää.. Taulukossa 1 on pilkkeiden lämpöarvoja 20 p-%:n kosteudessa. Vesipitoisuus, painoprosentit (p-%) eli vedenosuus kokonaismassasta saadaan, kun laboratoriouunissa puunäytteistä haihdutettu veden paino jaetaan näytteen alkupainolla ja kerrotaan sadalla. 18 jamk

19 Taulukko 1. Pilkkeiden lämpöarvoja 20 p-%:n kosteudessa (Alakangas 2000) Puulaji Lämpömäärä (kwh/kg) Lämpömäärä (kwh/irto-m 3 ) Lämpömäärä (kwh/pino-m 3 ) Koivu 4, Mänty 4, Kuusi 4, Leppä 4, Haapa 4, jamk 19

20 2 Klapien kuivumisen teorioita Energiapuun kuivumisen yhteydessä tulisi puhua kuivumisesta ja kastumisesta. Tämä tutkimus ei perustu syvällisiin kuivumisen aineen ja energian siirron teorioihin. Lähtökohdaksi on valittu kuivumisen prosessitekninen tarkastelu (aikavakiot). Tasapainokosteus saavutetaan kolmen aikavakion kuluttua kyseisissä kuivumisoloissa (lämpötila, tuuli, suhteellinen kosteus (vuodenaika)). Tasapainotilalla ja kuivumisajalla on suurempi painoarvo kuin todellisella kosteuspitoisuudella. Vertaillaan ja arvioidaan pohtimalla poikkeamien syitä. Tässä tutkimuksessa kaatotuoreen klapin lähtökosteudeksi on useimmiten valittu 50 % ja loppukosteudeksi saavutetun tasapainotilan kosteus. Ehdottoman tarkalla alku- ja loppukosteudella ei ole tässä tutkimuksessa painoarvoa. Punnituksen avulla on saatu käyrä, joka on suhteutettu alkupainoon. Käyrä kertoo veden haihtumisen paino-osuuksina. Laboratoriossa tehtävää kuivaaineen määritystä ei ole tehty. Tutkimus pyrkii selvittämään ja vertailemaan kuivumisaikoja eri olosuhteissa ja sopivan tasapainokosteuden saavuttamista polttoa ja välivarastointia varten. On ilmeistä, että klapien tuottamiseen tarkoitettuja puita ei tulisi kaataa kasvun käynnistyessä toukokuussa, kun runkojen jälsi-, nilakerros sisältävät reilusti lahottajien ravinnoksi soveltuvia ravinteita. Myös klapien homehtuminen tulisi estää riittävällä kuivatuksella. Polttopuiden kosteuden ja energiasisällön sekä tehollisen lämpöarvon määrittäminen Ahma ympäristö Oy:n Oulun laboratorio tekee polttoaineiden analysointia. Biopolttoaineiden, kuten puun energiasisällön määrittäminen tapahtuu useassa vaiheessa. Puunäyte esihienonnetaan 25 mm:n kokoisiksi kappaleiksi ja sekoitetaan. Osa erästä kuivataan 105 C:ssa. Alku- ja loppupainon erosta saadaan laskettua kosteuspitoisuus. Loppuosa kuivataan aluksi 40 C:ssa ja hienonnetaan vielä alle 1 mm:n raekokoon. Jauhetusta näytteestä puristetaan pelletti, joka poltetaan kalorimetrissä. Lämpöenergia siirtyy veteen, jonka lämpötilamuutos kertoo energiasisällön. Toisessa vaiheessa näytteen kuivatusta jatketaan 105 C:ssa, jolloin analyysikosteus määritetään standardin mukaisesti. Kaikki Ahma ympäristön laboratoriot ovat FINASakkreditointipalvelun akkreditoimia ISO IEC 17025:2005 testauslaboratorioita. (Leinonen 2014.) 20 jamk

21 Ehytkuoristen koivuklapien kuivuminen Ehytkuorisen klapin kuivumista voi kuvata ajatusmallilla ehytkuorisesta, vettä huonosti läpäisevästä klapiputkesta, jonka päihin kuivuu tai muodostuu huonosti vettä läpäisevät korkit. Elävä ja vastakaadettukin puu pyrkii suojaamaan pintavauriot ja katkenneiden oksien kohdat mahlan ja tervojen tyyppisillä tahmeilla, hyytyvillä aineilla. Talvella nopeiden säävaihteluiden seurauksena syntyy puiden runkoihin pakkashalkeamia, joita elävät puut korjaavat kyljestymällä kyseiset kuorihaavat, jotta vioittuneet kohdat välttyisivät sisäisiltä lahopesäkkeiltä. Elävät puut pyrkivät tukkimaan halkeamat ja katkenneiden oksien kohdat, jottei niistä pääse tippumaan ravinteita ja vettä. Tuoreesta koivupuusta leikattiin 20 cm pitkä kuorellinen tikku, jonka halkaisija oli 1 cm ja paino 18 g. Koivutikun läpi imettiin ensin 5 g vettä ja mahlaa. Seuraavassa kokeilussa imettiin uudelleen vesilasista 5 g vettä kolmessa minuutissa. Tuore koivusta tehty tikku toimii imentäpillin tavoin. Yhdessä kokeilussa tiputettiin vettä 3 cm paksun ja 25 cm pitkän ehytkuorisen koivuklapin läpi tyvisuunnasta latvaan päin. Kokeilu onnistui odotetusti, mutta veden virtausnopeus oli hidas ja vesimäärä erittäin pieni. Kuviossa 1 on rullien ja kiekkojen kvalitatiivinen malli. Koivun vettä läpäisemätön kuori on kasvavalla puulla hyvä suoja rungon kuivumiselle kuivina kesäkausina. Samalla vettä huonosti läpäisevä kuoriosa estää kaadetun puun ja klapien nopean kuivumisen. Perusteoriana on, että ehytkuoriset koivuklapit ensimmäisessä vaiheessa kaadon jälkeisenä kesänä kuivuvat pelkästään klapin molempien päiden kautta. Klapin päihin tosin syntyy kuivumisen edetessä vettä huonosti läpäisevät kerrokset puun suoja-aineiden ja solukkojen kuivumisen seurauksena. Täten ehytkuoristen klapien molempiin päihin voisi kuvitella syntyvän vettä huonosti läpäisevät korkit, jotka estävät tehokkaan kuivumisen ja kostumisen. Samalla puussa olevan veden ja ravinteiden myötä muodostuu lahottajille otollinen kasvualusta. Myöhemmin tosin tuohi alkaa halkeilla ja irrota. Ohuiden koivu- ja leppäkiekkojen kuivuminen on nopeaa. Aikavakiot ovat kymmenien tuntien suuruusluokkaa. Puukiekkojen kuivumisajoista (1 2 vrk) voidaan nopeasti päätellä kyseisen klapierän kuivumispotentiaaleja ja -aikoja. Tästä syystä kuivumiskokeisiin on otettu koivu- ja leppärullia (kiekkoja, siivuja) mukaan ja seurattu niiden kuivumisaikoja tasapainokosteuden saavuttamiseen. Määrityksen perusteena on painokäyrä, jonka punnitut painot otetaan prosentteina alkupainosta. Tällä tavalla muodostetut näytteet, klapit ja klapiniput ovat toistensa kanssa vertailukelpoisia. jamk 21

22 Kuvio 1. Rullien ja kiekkojen kvalitatiivinen malli Kuvissa 1 ja 2 on lepän rungosta tehtyjä kiekkoja. Kuivuessaan tällainen puukiekko alkaa kovertua tai halkeilla. Puun sisempi osa on aina vanhempaa, tiiviimpää ja kuivempaa puuainesta kuin tuore kasvava pintakerros. Kuivumisen seurauksena tuore pintakerros supistuu voimakkaasti ja aiheuttaa koveran tai halkeilleen pinnan. Halkeamia näkyy myös kauan kuivuneiden ehytkuoristen klapien päissä, mikä hiukan edesauttaa kuivumista. Kuviossa 2 esitetään klapien monivaiheisen käsittelytavan ja kuivatuksen vaihtoehtojen luokittelua. Kuva 1. Kuivuessaan käyristyneet ohuet leppäkiekot 22 jamk

23 Kuva 2. Kuivuessaan halkeilleet ohuet leppäkiekot Kuvio 2. Klapien monivaiheisen käsittelytavan ja kuivatuksen vaihtoehtojen luokittelu jamk 23

24 Pohdintaa ja klapien kuivumiseen liittyviä karkeita tunnuslukuja Syksyllä kaadetuista ja säkitetyistä klapeista vettä haihtuu tuuletetussa, lämpimässä hallissa noin 0,1 g/s, 5 g/min, 250 g/tunti eli noin 6 kg/vrk. Suursäkkien painoluokka oli noin 650 kg, joka oli mitattu kuivatuksen alussa. Jos hallissa on kolme suursäkkiä kuivumassa, yhteensä niistä haihtuu kuivatuksen aikana noin 860 litraa vettä. Koska vesi höyrystyessään laajenee 1000-kertaiseen tilavuuteen, ko. vesimäärästä muodostuu 860 m 3 vesihöyryä, joka on siirrettävä muualle. Veden höyrystyminen tarvitsee ulkopuolista energiaa. Tuuletusilmaa tulee olla reilusti, jotta poistuvan kuivausilman kosteus ei nouse 100 %:iin. Kuivuminen perustuu mm. veden ja vesihöyryn osapaineiden, suhteellisen ilman kosteuden sekä ilmavirtauksen että ilman sisältämän lämmön vuorovaikutukseen. Kuivumisessa on kyse aineen ja energian siirrosta. Kaatotuoreiden pilkottujen klapien kuivumista tapahtuu kaikkina vuoden aikoina. Kuivumisen teho on sidottu kuivattavan kohteen mm. kosteuspitoisuuteen ja kuivausilman lämpötilaan, määrään ja suhteelliseen kosteuteen. Vedon ja tuuletuksen parantaminen klapisuursäkeissä ja teräsverkkokehikoissa Piippuja vedon aikaansaamiseksi on käytetty mm. ulkovessoissa, kompostoreissa ja luonnollisesti myös uuneissa. Leivinuunien vetoa joudutaan usein parantamaan piippua jatkamalla. Veto syntyy paine-erosta piipun ylä- ja alaosan välillä. Piipussa ei saa olla vuotokohtia, joista paine-ero karkaa. Ilman paine on katon korkeudella pienempi ja maantasossa suurempi. Paine-ero johtuu siitä, että näkymättömiä ilmamolekyylejä on enemmän maanpinnan tasossa kuin talon piipun korkeudella. Ilma kerrostuu ja ilman tiheyden mukaan ilman ja sen sisältävien molekyylien paino vaihtelee. Tällaisia luonnon vetoon perustuvia piippuja voidaan käyttää myös kuivaimissa ja suursäkeissä sekä teräsverkoissa. Hatullisen piipun tulisi olla 2 5 m korkea, jotta saataisiin riittävä veto. Tällöin kuivausilma virtaisi suursäkkien sivuilta kohti keskiosaa ja edelleen piippua pitkin ylös. Klapisäkkien ja -kehikoiden sisälle asennettavien ilmakanavien tulisi olla ilmaa hyvin läpäisevää salaojaputkea. Kun tuotetaan suuria määriä klapeja, kaiken pitäisi tapahtua mahdollisimman vaivattomasti. Suursäkkien sisäosien tuuletusta voisi kehittää edelleen. Teräsverkkokehikoiden peitteet voidaan asentaa yläviistoon ja jättää klapien yläpuolelle reilun ilmatilan. Tällöin tuuli saa aikaan ali- ja ylipainetta ja vetoa klapikehikon sisäosiin. 24 jamk

25 Nesteiden liikkeet rungon sisällä Puun rungolla on kyky kuljettaa nesteitä ja ravinteita elävän kuoren alla olevan jälsi- ja nilakerrossolukon avulla. Nesteiden kuljetuskyky perustuu solukoissa syntyviin ali- ja ylipaineisiin ja puoliläpäiseviin kalvoihin. Kaadettu puu pystyy kuljettamaan nesteitä kaadon jälkeenkin. Täten kuivumista voisi olettaa olevan eniten ehytkuoristen klapien ja rankojen katkaistuissa päissä. Tutkimusmenetelmän perusteet Energiapuu on taloudellinen ja ympäristöystävällinen energialähde. Riittävän kuivan energiapuun tuottaminen suurissa erissä tai nopeasti on ollut haasteellista. Tässä tutkimuksessa on käytetty punnitusta ja aikavakioiden määritystä selvittämään eri tavoilla käsiteltyjen koivuklapien kuivumista. Energiapuun käsittelytavoilla etsitään ratkaisuja pienpuun kuivumiseen liittyviin laatu- ja kannattavuusongelmiin. Riittävän kuivan energiapuun siirtäminen metsästä polttolaitoksiin tuo kannattavuutta. Kotitaloudet ovat valmiita maksamaan käyttämistään korkealaatuisista polttopuista hyvän hinnan. Polttopuiden välitön käsittely kaatamisen yhteydessä ja siirtäminen kuivumistilaan on askelmainen prosessi. Kuivumistapahtumassa vaikuttavat mm. ilman suhteellinen kosteus, lämpötila, veden ja vesihöyryn osapaineet, tuuli, klapien alkukosteus, niputus, säkitys ja kuivumiseen käytetty vuodenaika. Tällainen askelmainen muutos on esimerkiksi polttopuun kaataminen ja pilkkominen sekä varastointi tiettynä vuodenaikana sisä- tai ulkotiloissa. Koivun vettä läpäisemätön kuori on kasvavalla puulla hyvä suoja rungon kuivumiselle kuivina kesäkausina. Samalla vettä huonosti läpäisevä kuoriosa estää kaadetun puun ja klapien nopean kuivumisen. Klapien alkukosteus riippuu puulajista. Tuoreen koivun alkukosteuden on arvioitu olleen toukokuussa hiukan alle 50 % ja kesällä ja talvella %. Absoluuttisella kosteudella tai puun sisältämällä vesimäärällä ei ole ollut tässä tutkimuksessa painoarvoa, vaan sillä, missä ajassa kosteus poistuu ja saavutetaan tasapainokosteus kuivan klapin talvivarastoon siirtämiseksi. Tässä raportissa käsitellään keväällä tehtyjen, eri tavoilla käsiteltyjen koivun klapien kuivumista ja kuivumisaikoja prosessiteknisten aikavakioiden avulla. Toisissa vastaavissa raporteissa käsitellään mm. rasiin kaadetun koivun kuivumista, klapien ulkokuivatusta, klapinippujen ja klapien kuivumista suursäkeissä sekä halli- että ulkotilakuivatuksena. Myös eri puulajien kuivumista on vertailtu. Raportissa on käytetty käsitettä klapi. Toinen nimivaihtoehto olisi pilke. Halko koetaan usein halkaistuksi, leivinuuneissa poltettavaksi pienpuuksi, jonka pi- jamk 25

26 tuus on noin yksi metri, joten tätä nimitystä ei käytetä tässä raportissa, jossa vertaillaan lyhempiä, eri tavoilla käsiteltyjä ja käsittelemättömiä polttopuita. Prosessitekninen aikavakio ja sen käyttö eri tutkimuskohteissa Prosessiteknisen aikavakion määritys on otettu tutkimuksen menetelmäksi, koska sen avulla voidaan vertailla ja arvioida kuivumisaikoja ja ulkoisten olosuhteiden muutoksia. Syntyy ideaalisekoittimen mukaisia käyriä ja poikkeamia ideaalisista käyristä. Prosessitekninen 1. aikavakio (ks. kuvio 3) kertoo tässä asiayhteydessä, missä ajassa kuivumisprosessi on edennyt 63,2 %:iin suhteessa tasapainokosteuteen, eli 63,2 % puun haihtumiskelpoisesta vedestä on poistunut puusta kyseisessä ajassa. Kahden aikavakion kohdalla haihtumiskelpoisesta vedestä on haihtunut 86,5 % ja kolmen aikavakion kohdalla 95 %. Aikavakioiden avulla voidaan kuivumisnopeuden vertailut sitoa aikaan. Klapien kuivumisen painokäyrän muoto on laskeva, mutta vastaavan haihtuneen veden määrän painokäyrä on nouseva. Tarkkaa absoluuttista kosteutta ei ole määritetty klapien tekohetkellä eikä tasapainokosteudessa. Punnitukseen perustuvat kuivumiskokeet on aloitettu 1. koejaksolla keväällä 2012 tammikuun 7. päivänä, jolloin koepuuna oleva koivu on kaadettu, katkottu ja klapit käsitelty valituilla tavoilla. Klapeja on sulatettu kolme päivää autotallissa muutaman asteen lämpötilassa, minkä jälkeen ne on siirretty lämmitettyihin, tuuletettuihin sisätiloihin. Kuvio 3. Havainnollinen kuva aikavakion (Tau) muuttujista 26 jamk

27 Käsitteitä prosessitekninen kuollut aika ja aikavakio käytetään elektroniikassa ja prosessitekniikassa. Vahvistuksella (k) tarkoitetaan askelmaisen pitoisuusmuutoksen vaikutusta ulostulosuureen muutokseen aikavakion ilmoittamalla nopeudella. Esimerkiksi hyvin sekoitetussa tankissa on jo nestettä 100 litraa ja tankkiin virtaa 100 litraa uutta nestettä ja 100 litraa poistuu sekoitettua nestettä tietyssä ajassa. Kyseinen aika on aikavakio eli aika, jonka kuluessa tankkiin tuleva neste on kertaalleen vaihtunut. (Aikavakio (Tau) on V (100 m 3 ) / F (100 m 3 /h) eli 100 l/(100 l/60 min) 60 minuuttia (1 h)). Aikavakiolla tarkoitetaan aikaa, joka saadaan jakamalla säiliön nestetilavuus säiliön läpi jossain aikayksikössä virtaavalla nestevirtauksella askelmaisen pitoisuusmuutoksen yhteydessä. Klapien kuivatuksella on yhtäläisyyksiä ja eroja prosessitekniseen aikakäyttäytymiseen. Klapien ja kuivatuserien koko vaikuttaa oleellisesti aikavakioon kuten myös tuuli ja suhteellinen kosteus sekä halkaistujen klapien kuoreton pinta-ala. Kuivumisviivettä tapahtuu syksyllä, sydäntalvella sekä keväällä. Kevättalvella ilman lämmetessä haihtunut vesimäärä (paino) voi muodostaa suoran, joka käyristyy siirtofunktioksi toukokuussa. Aktiivisin kuivatusaika on loppukevät ja alkukesä, jolloin kuivumisviivettä ei juuri ole ja kuivumisajat (aikavakiot) ovat lyhimmillään. Askelmaista tapahtumaa kuvaa puun kaataminen ja klapien teko. Prosessia kuvaa tuulen ja lämmön vaikutus veden haihduttamiseen. Virtausta kuvaa tuuli ja poistuva vesihöyryinen ilma. Askelmaisen pitoisuusmuutoksen vasteesta voidaan laskea ja päätellä prosessin viive eli kuollut aika, vahvistus K ja aikavakio Tau. Prosessin viiveaika (kuollut aika) Te on askelmuutoksen ja prosessimittauksessa havaittavan muutoksen välinen aika. Vaste aikatasoon muutettuna: Y(t) = K * (1 - e (-t+te)/tau ) c(t) = K * (1-1/e (t-te)/tau ) c(t) (1) Paino alkupainosta prosenttia (t) = Vahvistus * (1-1/(2,71828^((t- Viive)/Aikavakio))) Kuollutta aikaa (viivettä) ja aikavakiota voidaan käyttää kaikkien aikariippuvien ilmiöiden tutkimisessa, jotka noudattavat kyseisen käyrän muotoa ja ohjaussuureen muutokset ovat askelmaisia. Tällaiseksi ilmiöksi tässä tutkimuksessa on todettu klapien tai rasiin kaadetun koivun kuivuminen. Muutoksen tulee olla askelmainen ja ulkoisten olosuhteiden tulee pysyä kutakuinkin samanlaisina. Askelmaisen muutoksen vaikutusta ulostulosuureen loppuarvon ja lähtöarvon erotukseen kutsutaan vahvistukseksi. Alku- ja loppupainon avulla voidaan arvioida alku- ja loppukosteusprosenttia. Kun tehdään puukiekko tai halkaistu klapi, alkupaino tulee punnita välittömästi. Yksittäisen ohuen puukiekon tai -rullan aikavakio on tunteja, ohuen käsitellyn klapin ja klapinipun päiviä, klapinippukasan viikkoluokassa ja suursäkkien kuukausiluokassa. jamk 27

28 Kvalitatiivinen klapien kuivumistilan malli Kuviossa 4 on kuivumistilaa verrattu prosessitekniseen ideaalisekoittimeen, jonka aikavakio voidaan määrittää tuulen, lämmön ja ilmaa läpäisevän säiliön koon perusteella. Säiliön tai verkkosäkin tilavuus on V (m 3 ). Läpivirtaava tuuli tai oikeammin vesihöyryn ja lämmön virtaus kuvaa virtausta F (m 3 /h tai kg/ vrk). Suhteellinen kosteus vastaa tulevan ilman vesihöyryn pitoisuutta (g/m 3 ), joka kuivumisprosessissa kasvaa hiukan. Aikavakio Tau (V/F) kuvaa aikaa, jonka kuluttua klapeista on poistunut 63,2 % haihtumiskelpoisesta vedestä. On luonnollista, että halkaistujen klapien, klapinippujen ja klapikassien sekä suursäkkien koko vaikuttaa kuivumisaikoihin. Kuollutta aikaa eli aikaa, jolloin kuivuminen ei käynnisty, esiintyy eri syistä. Talvella lyhytaikainen kuollut aika syntyy, kun jäinen puu tuodaan sisätiloihin ja kylmään pintaan tiivistyy aluksi ilman kosteutta. Tästä syystä syntyvä kuollut aika on hyvin lyhytaikainen. Kuollutta aikaa syntyy tai kuivuminen keskeytyy talvella ulkokuivatuksessa, kun ilman lämpötila laskee pakkaselle tai suhteellinen kosteus nousee lämpötilan laskiessa. Alkukeväällä ilmojen lämmetessä ulkokuivatuksessa klapien punnituskäyrä muodostaa suoran. Vasta loppukevään punnituskäyrästä voidaan laskea aikavakiot. Samoin pakkaset ja sateet tekevät kuollutta aikaa kuivumisen alkuvaiheessa. Kuvio 4. Kvalitatiivinen klapien kuivumistilan malli Melkein ideaalisekoitin 28 jamk

29 3 Polttopuiden lähtö- ja loppukosteuden määrittämisen ongelmat Puun kosteuden mittarit ja kosteuden määrittäminen Klapin kosteus tulisi mitata puun halkaisun yhteydessä halkaisupinnalta alkuja loppukosteuden määrittämiseksi. Kaupalliset mittarit on tarkoitettu enimmäkseen sahatavaran kosteuden mittaamiseen (10 40 %). Mittauspinnan tulisi olla mittaushetkellä halkaistua puuta. Tämän tutkimuksen koejaksoissa klapit ja klapiniput on punnittu tietyin aikavälein, mikä suo mahdollisuuden sovittaa kaikki punnitustulokset suhteessa alkupainoon prosentteina. Puun kosteusprosentit suhteutetaan aina sen nykyiseen painoon eli tulos vääristyy hiukan. Kosteuspitoisuus voidaan suhteuttaa puun kuiva-aineen painoon, jos se on mitattu. Kuvioissa 1 ja 2 on graafisesti esitettynä kosteusprosenttien ongelma. Punnitun puun paino ja suhteellinen muutos alkupainosta kertoo myös haihtuneen veden määrästä. Tämä suo mahdollisuuden vertailla eri koeeriä keskenään, vaikka todellista tarkkaa kosteutta ei tiedetä. Alkukosteudeksi voidaan arvioida esim. 48 % tai 50 %. Haihtuneen veden määrän lisäksi tässä tutkimuksessa on tärkeää punnituskäyrän muoto ja aika, jossa kuivatettava vesi poistuu. Esimerkiksi koe-erän alkupaino on 100 yksikköä ja loppupaino 60 yksikköä; vettä on näin ollen haihtunut 40 yksikköä. Painolle ja haihtuneelle vedelle on myös piirretty aikariippuvat mallikäyrät. jamk 29

30 Kuvio 1. Kosteuden laskeminen painon osuutena alkupainosta Kuvio 2. Kosteusprosenttien ongelma 30 jamk

31 Ongelmana on se, että eri kosteusprosenteissa haihdutettavan veden määrä on erisuuruinen. Kuivumisajan aikavakion määrittäminen voi olla ongelmallista. Ulkoisten olosuhteiden tulee olla lähes muuttumattomat. Tämä on ongelma tulkittaessa talvella ja alkukeväästä tapahtunutta kuivumista, kun lämpötilan kohotessa ja suhteellisen ilmankosteuden laskiessa kuivumisnopeus kiihtyy. Lähtötilanteen muutoksen tulee olla askelmainen. Kuivumisaika ja -aste on kyettävä laskemaan tai arvioimaan. Tätä kirjaa varten tehdyissä kuivatuskokeissa kuivumisastetta arvioitiin vain karkealla tasolla painon muutokseen perustuen. Polttopuiden lähtö- ja loppukosteuden määrittämisen ongelmat Puiden kosteus ei jakaannu tasan puiden sisäosien ja pintaosien välillä. Isojen puiden sydänpuu on huomattavasti kuivempaa kuin tuore pintapuu tai puun kuorikerros. Elävien puiden kosteus laskee hiukan talveksi, jolloin puilla on lepotila. Keväällä lehtipuiden juuresta nousee runsaasti sokerisia ravintoaineita sekä kosteutta. Kasvun käynnistyessä puun runko-osan kosteuspitoisuus on korkeimmillaan. Kesällä ja talvella pystypuiden kosteuden voidaan olettaa olevan noin %:n tasossa. Kuviossa 3 näkyy puiden vuodenaikojen mukainen kosteudenvaihtelu (Rinne 2013a). Tämän tutkimuksen lähtökohtana ei ole ollut mitata tarkkoja kosteuspitoisuuksia, vaan selvittää ja vertailla eri tavoin käsiteltyjen klapien kuivumisnopeuksia. Loppukosteuden tulee kuitenkin olla riittävän alhainen varastointiin ja polttoon. Kotitalouksissa ei ole mahdollisuutta tai haluakaan kuivata klapeja hyvin tuuletetuissa sisätiloissa, jossa lämpötila ja suhteellinen kosteus mitataan ja säädetään halutuksi. Useimmat puiden kosteuden mittarit mittaavat vain 50 % pienempiä kosteuspitoisuuksia. Kyseiset mittarit on tarkoitettu lähinnä sahapuutavaran kosteuden mittaamiseen. Sahatavaran kuivatus ja kuivaimet eroavat polttopuun kuivauksesta merkittävästi mm. siksi, että sahatavara tulee kuivata noin 8 %:n kosteuteen. Kuivattamista jatketaan korkeassa lämpötilassa tai niin kauan, että solujen sisäinen vesi ja ravintoaineet myös poistuvat ja solut kuolevat. Huonekaluihin käytettävää puutavaraa on yleensä kuivattu vähintään vuosi. Yksi tällainen puun kosteusmittari on ALL005 EM4806, jonka mittausalue on 8 %:sta 40 %:iin. Mittarissa on kaksi pientä piikkiä, jotka painetaan välittömästi ennen mittausta halkaistun klapin pintaan. Yksi tapa mitata puutavaran kosteutta on kuumentaminen korkeassa lämpötilassa. Kuumentaminen tuottaa haasteita kosteuden määrittämiseen puussa olevien haihtuvien tervojen vuoksi. Metsätehon tuloskalvosarjan artikkelissa on testattu menetelmiä energiapuun kosteuden mittaamiseen metsäkuljetusten yhteydessä (Tuunanen, Melkas, Hämäläinen & Palander 2014). jamk 31

32 Kuvio 3. Puiden vuodenaikojen mukainen kosteuden vaihtelu (Rinne 2013a) Tässä tutkimuksessa lähtökosteudeksi on useimmiten valittu 50 % ja loppukosteudeksi saavutetun tasapainotilan kosteus, joka on laskettu punnituksen perusteella. Ehdottoman tarkalla alku- ja loppukosteudella ei ole tässä tutkimuksessa painoarvoa. Tutkimus pyrkii selvittämään ja vertailemaan kuivumisaikoja eri olosuhteissa ja sopivan tasapainokosteuden saavuttamista polttoa ja välivarastointia varten. Klapien kuiva-aineen, kosteuden ja energiasisällön määrittäminen laboratoriossa antaisi tälle tutkimukselle merkittävän lisäarvon. Klapien energiasisältöön liittyviä asioita on käsitelty VTT:n julkaisussa Energiapilke-konsepti polttopuun tuotanto- ja toimitusketjussa (Erkkilä, Strömberg & Hillebrand 2012). Kosteus voidaan myös määrittää veden osuutena kuiva-aineeseen tai veden osuutena veden ja kuiva-aineen yhteispainoon. Klapeja ei tulisi kuivata sisätiloissa energiataloudellisin perustein, koska veden haihduttaminen tarvitsee polttoaineilla tuotettua lämpöenergiaa ja haihtunut vesi tulee poistaa sisätiloista. Klapien kuivatuksessa tulisi hyödyntää kevätkauden ulkotiloissa olevaa alhaista kosteuspitoisuutta ja suoraan auringosta saatavaa lämpöenergiaa ja tuulta. Keväällä ja alkukesästä Suomen ilmastossa on reilusti klapien ja polttopuun kuivatuspotentiaalia, jota tulisi hyödyntää oikealla ajoituksella. 32 jamk

33 4 Uudet ja vanhat varastointi- ja pinoamistavat Klapiaita Ikitaito Oy valmistaa kivikoreja, joita voidaan myös käyttää klapien kuivatukseen ja varastointiin ympäristöystävällisesti. Kivikorit valmistetaan 7 mm:n ja 5,5 mm:n teräslangasta. Korit toimitetaan kokonaisina myös asiakkaan tai käyttötarkoituksen mukaan. Koreista on helppo koota monenlaisia rakenteita porrastamalla niitä maaston mukaan, laittamalla päällekkäin tai kokoamalla ne ketjuiksi. Klapit syötetään rakennelman yläosasta ja puretaan alaosan luukusta. Katto-osan pelti on turvallisuussyistä aika kapea. Kuva 1 klapiaidasta on otettu Jyväskylän asuntomessuilla 2014 (Ikitaito 2014) Kuva 1. Jyväskylän asuntomessuilla esitelty klapiaita jamk 33

34 Kuvassa 2 klapit ovat kuivumassa teräsverkkokehikoissa, joiden yläosaan on jätetty ilmatilaa kuivumisen edistämiseksi. Aluksi pressut oli asetettu viistoon, jotta tuuli tehostaisi yli- ja alipainetta sekä vetoa klapikehikon sisäosissa. Polttopuut on tuotettu vuonna 2010 kyseisiin varastokehikoihin ja sen jälkeen poltettu hyvälaatuisina seuraavan viiden vuoden aikana. Kuvassa 3 esitellään klapinippujen hyvin tuulettuva kuivauspaikka, kuljetus ja loppusijoitus sisävarastossa. Klapien kuivuminen on erityisen tehokasta klapinipuissa. Niput tulisi tehdä heti metsästä tuoduista pölkyistä pilkkomisen jälkeen. Naruna on käytetty paalinarua, joka on taitettu kaksinkertaiseksi silmukaksi. Nippujen läpimitta on noin 30 cm. Suurin työ on klapinippujen teko, jossa viimeiset klapit pitää takoa vasaralla tiukan kannettavan nipun saamiseksi. Kuivuessaan yksittäiset klapit ja klapinippu supistuvat hiukan. Pinottaessa nippuja niiden väliin syntyy tuulettumista suosivia aukkoja. Pieninä erinä hyvin tuulettuvaan varastoon niputetut klapit voidaan varastoida tuoreena suoraan metsästä tuotuna. Kuva 2. Klapit kuivumassa teräsverkkokehikoissa 34 jamk

35 Kuva 3. Klapinippujen hyvin tuulettuva kuivauspaikka, kuljetus ja loppusijoitus sisävarastossa jamk 35

36 Klapikassit, verkkopussit, klapisäkit ja verkkosäkit Internetistä löytyy useita yrityksiä, jotka myyvät kyseisiä tuotteita ja niihin soveltuvia telineitä ja suojapressuja. Tuotevalikoimassa on myös hyvin ilmaa läpäiseviä klapien verkkosäkkejä. Espegard on yksi näiden tuotteiden toimittaja (Espegard 2014). Espegardilla on tuotevalikoimassa mm. lavasäkit ja lavasäkkitelineet sekä nostolenkkisäkit. Verkkosäkeissä on hyvä UV-suojaus, ja ne on valmistettu vahvasta narusta. Säkeissä on neljä nostolenkkiä ylä- ja alaosassa, mikä tekee siirron ja tyhjennyksen helpoksi. Klapisäkin ovat kooltaan 30, 40, 60 tai 80 litran kokoisia. Kuvassa 4 vasemmalla on verkkopussin rakenne ja oikeassa reunassa verkkosäkin rakennetta ja yksi nostolenkeistä. Kyseisen verkkosäkin (136) solmittujen aukkojen koko on 5 cm * 5 cm, joten tuuletusilma pääsee vapaasti puhaltamaan 1,5 m 3 vetävän klapisäkin läpi. Kuvassa 5 verkkosäkit on täytetty klapeilla. Kuva 4. Vasemmalla verkkopussin ja oikealla verkkosäkin rakennetta 36 jamk

37 Kuva 5. Eri valmistajien klapisuursäkkejä Halkomotti Halkomotti on hyvä esimerkki polttopuun riittävästä kuivumisesta ja joustavasta varastoinnista. Miestyönä tehtävän pinokuution keskimääräinen tuotos on ollut 1 motti tunnissa ja 8 mottia päivässä. Kuvassa 6 on koivuhalkomotti metsässä talvella. Motin mitat ovat 1m x 1 m x 1,1 m. Tukipuuhun on tehty kirveellä kolmiomainen lohipyrstöliitos. Tukipuuna on käytetty mielellään haapaa, joka on teroitettu alapäästään. Metrin mittaiset halot on lapettu sivuille ja pintaan halkaistu pinta ulospäin. Koivuhalkomotti on säilynyt sisäosiltaan kuivana jopa 4 vuotta metsässä. Pintakerros on kosteampaa noin 10 cm:n paksulta vyöhykkeeltä. Erittäin hyvin kuivuneet ja säilyneet halot on haettu metsästä talvella ja hyödynnetty välittömästi lämmityksessä. jamk 37

38 Kuva 6. Koivuhalkomotti varastopaikallaan (Halkomotti 2014) Varastointi sisätiloissa ja katoksissa Milloin klapit saa siirtää varastoon ja millaiseen varastoon? Kosteita polttopuita ei saa siirtää huonosti tuulettuvaan sisävarastoon homevaaran vuoksi. Sisävarastoon siirrettävät polttopuut eivät saa olla tuoreita eivätkä osittainkaan kosteita, koska ne voivat sisältää homeille altistavia ravinteita. Tasapainokosteuden määrittämiseksi voi tehdä ohuen kiekon tai lastun ( g). Näytettä voi kuivata sisätiloissa esim. kaksi päivää ja punnita alku- ja loppupainon kuivumispotentiaalin määrittämiseksi. Alku- tai keskikesällä huonosti tuulettuvan sisävaraston ovea tai ikkunoita voi pitää auki poutakausina. Pienenä eränä tuoreet pilkotut puut voi heti pinota hyvin tuulettuvaan sisävarastoon kuivumaan. 38 jamk

39 Elävän puun jälsi- ja nilakerros sisältävät runsaasti ravinteita. Tuuletuksen tulisi koko kuivatusjakson ajan olla jatkuvaa siten, että klapien pintakerros ja siinä olevat ravinteet pysyvät riittävän kuivina estämään homevauriot. jamk 39

40 5 Klapien tuottaminen metsässä sykeharvesterilla Pentin Paja Oy:n Naarva S23 Firewood sykeharvesteri varustettuna halkaisukiiloilla tekee yhdellä kertaa monivaiheisen klapien käsittelyn. Kyseisellä harvesterikouralla otetaan metsästä harvennettava puu, siirretään puun tyviosa suursäkin yläpuolelle, aisataan, katkotaan ja pilkotaan. Automaatioastetta on nostettu siten, että koko rungon pilkonta jatkuu niin kauan, kuin yhtä kytkintä painetaan. (Naarva S23.) Kuvassa 1 oleva Naarva S23 Firewood suorittaa seuraavat työvaiheet: katkonta karsinta ja aisaus halkaisu säkitys. Kuva 1. Klapien suora suursäkitys Naarva S23 sykeharvesterilla (Naarva 2014c) 40 jamk

41 Kun nuoren metsän kunnostuskohteessa tuotetaan klapeja suoraan suursäkkeihin, seuraava vaihe on suursäkkien siirto kuivatuspaikalleen. Klapeja sisältäviä suursäkkejä voidaan myös varastoida alussa hakkuupaikan lähellä tuulisella paikalla, jolloin siirto kuivatuspaikalle voidaan tehdä hakkuun yhteydessä. PYSTYPUU HALOKSI, KLAPEIKSI JA SUORAAN SÄKKIIN Pentin Paja on kehittänyt maataloustraktoriin kiinnitettävän säkkitelineen. Yksinkertainen säkkiteline voidaan kiinnittää maataloustraktoriin kolmipistekiinnityksellä tai vaikkapa kaivinkoneen puskulevyyn. Klapipussi on nopea ja helppo ripustaa. Telineen avulla klapikoneella voidaan halot ja klapit tuottaa suoraan säkkiin. Naarva S23 harvesteri ja säkkiteline Kun traktorin perässä on säkki, johon pystypuut tehdään suoraan haloiksi Naarva S23 sykeharvesterilla, tuottavuus kasvaa. Näin syntyy erittäin suoraviivainen kuljetusketju, jossa harvennettavat pystypuut saadaan klapisäkeissä suoraan tien varteen odottamaan myyntiä. Polttopuusäkki täyttyy puolimetrisestä halosta 15 minuutissa Naarva S23 -sykeharvesterilla, joka on varustettu kuvan 2 mukaisella giljotiinilla ja klapien halkaisukiilalla. Halkojen tai klapien pituutta voidaan luonnollisesti säätää. (Naarva 2014). Naarva S23 sykeharvesterin toteuttamaa klapien halkaisua voidaan katsoa Pentin Pajan esittelyvideosta (Naarva Videot 2014). jamk 41

42 Kuva 2. Pentin Paja Oy:n Naarva S23 -sykeharvesterin giljotiini sekä klapien halkaisukiila Pentin Paja Oy:n yritysesittely Pentin Paja Oy on vuonna 1982 perustettu perheyritys, joka on erikoistunut pienpuun korjuuseen tarkoitettujen laitteiden tuotekehitykseen ja valmistukseen. Lisäksi yritys tarjoaa teollisuuslaitoksille huolto-, asennus- ja kunnossapitopalveluita (Naarva 2014.). Pentin Paja Oy myy Naarva-tuotenimellä yli 10 erilaista mallia sykeharvestereita, kaatopäitä, energiakouria ja perkaajia. Lisäksi valikoimaan kuuluu Naarvapylväskauha. Naarva-tuoteperheestä löytyy laitteita kaikkien konevalmistajien alustakoneisiin: traktoreihin, metsäkoneisiin, kaivinkoneisiin ja kuorma-autoihin. Naarva-tuotteita käytetään mm. energiapuun hakkuuseen, ensiharvennuksiin, ongelmapuiden kaatoon, taimikonhoitoon sekä piennarten ja pellonreunojen raivaukseen. Naarva-tuotteita on viety jo yli 30 maahan. Yhtiön suurimpia vientimaita ovat Ruotsi, Saksa, Norja ja Viro (Naarva-tuotteet tuoteryhmittäin 2014.) Oma tuotekehitys on selkeä vahvuus ja pyrkimys pitää asiat riittävän yksinkertaisina ja teknisesti helposti toteutettavina. Tämän lisäksi tuotteiden tarkoituksenmukaisuus ja kestävyys ovat aina suunnittelun lähtökohtia. 42 jamk

43 Yritys aloitti toimintansa Ilomantsin Naarvassa. Nykyisin toimipisteet ovat Ilomantsissa ja Joensuussa. Tuotantotilaa on n 2000 m 2. Liikevaihto oli vuonna 2012 noin 2 miljoonaa euroa ja työntekijöitä on 23. Yhtiötä johtavat omistajaveljekset Mikko ja Janne Häikiö ja yrityksessä on töissä jo kolmannen polven Häikiöitä. Vuonna 2009 Pentin Pajan osaomistajaksi tuli Outokummun Metalli Oy (Naarva 2014.). NAARVA S23 sykeharvesteri on kevyt: 230 kg. Harvesterin ominaisuuksia ovat kaato ja karsinta, nopea giljotiinikatkaisu (maksimi LPM 23 cm). Harvesteri on helppo asentaa eikä se tarvitse erillistä hydrauliikka tai sähköä ja se toimiin pelkästään kouran auki/kiinni venttiilillä. Työkohteita ovat ensiharvennukset, polttopuunteko, energiapuun korjuu ja integroitu korjuu. Giljotiini on vahva, varmatoiminen ja helppo huoltaa. Katkaisuterään on saatavilla halkaisukiilat, joiden avulla voit tehdä cm polttopuuta heti kaadon jälkeen. Kiilat on helppo asentaa ja irrottaa kolmella pultilla. Traktoriin kiinnitettävän kätevän säkkitelineen avulla voi tehdä pystypuut haloiksi suoraan säkkiin. Polttopuun tuotantoketjusta turhat välivaiheet jäävät pois. Kiiloilla varustettuna S23 on pilkekone, joka tekee klapia suoraan pystypuusta. TTS:n pikatestissä Joensuussa S23:n tuottavuus oli 3 5,5 irto-m 3 polttopuuta tunnissa Kuva 3. Halkaisukiilalla varustettu sykeharvesteri toiminnassa Hakkuukouraan asennettava hakerangan halkaiseva terä (Pohjankyrö 2014) YLISTARO Hakkuukoneen kouraan on suunniteltu terä, joka halkaisee rungon sen karsimisen ja katkaisun yhteydessä. Yli kymmensenttisten energiapuuksi hakattavien runkojen halkaisu nopeuttaa huomattavasti puun kuivumista. Koska energiapuun kuivuminen kasassa on usein hidasta, tuli mieleeni, että miksei rankaa voisi halkaista metsässä hakkuun yhteydessä, kertoi ideansa esille tuonut Metsänhoitoyhdistys Etelä-Pohjanmaan metsänhoidonneuvoja Jukka Karhunen. Vaikka energiapuukasat pyritään varastoimaan ilmaville jamk 43